JP2015140695A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動軸に電動機が連結されたターボチャージャにおいて、バッテリ残量に関わらず、力行制御を可能にする。【解決手段】 駆動軸３７に電動機２５が連結されたターボチャージャ１４であって、排気バルブが開かれた直後の排気のブローダウン流が排気通路に生じる期間に対応して電動機を回生制御すると共に、ブローダウン流が発生した後のピストンの上昇に伴う排気のスカベンジング流が排気通路に生じる期間に対応して電動機を力行制御し、回生制御と力行制御とを交互に繰り返す制御モードを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動軸に電動機が連結されたターボチャージャに関する。

内燃機関のターボチャージャは、排気によってタービンホイールを回転させ、駆動軸を介してタービンホイールに連結されたコンプレッサホイールを回転させて過給を行うという構造上、過給圧の立ち上がりが出力要求に対して遅れるという、いわゆるターボラグが問題となる。この問題は、排気流量及び排気圧が小さい内燃機関の低回転域において顕著になる。このような問題を解決するために、ターボチャージャの駆動軸に電動機（モータジェネレータ）を連結し、電動機の駆動力によってターボチャージャの駆動軸の回転をアシストするものがある（例えば、特許文献１）。電動機は、ターボチャージャの駆動軸の回転力を受けて発電することも可能であるため、排気エネルギーが所望の過給圧を達成するために余剰となる場合に回生を行うことによって、排気エネルギーを効率良く回収することができる。

特開２００４−１６９６２９号公報

従来、電動機を備えたターボチャージャは、内燃機関の低回転域において電動機の力行制御を行い、高回転域において電動機の回生制御を行うというように、内燃機関の回転域に応じて電動機の力行制御と回生制御とを選択する手法が通常である。このように電動機の制御を行う場合、力行制御が選択される期間において電動機の電源を常に確保しなければならない。そのため、バッテリ残量が低下している場合には、力行制御を行うことができないという問題がある。

本発明は、以上の背景を鑑み、駆動軸に電動機が連結されたターボチャージャにおいて、バッテリ残量に関わらず、力行制御を可能にすることを課題とする。

上記課題を解決するために、駆動軸（３７）に電動機（２５）が連結されたターボチャージャ（１４）であって、排気バルブが開かれた直後の排気のブローダウン流が排気通路に生じる期間に対応して前記電動機を回生制御すると共に、前記ブローダウン流が発生した後のピストンの上昇に伴う排気のスカベンジング流が前記排気通路に生じる期間に対応して前記電動機を力行制御し、前記回生制御と前記力行制御とを交互に繰り返す制御モードを有することを特徴とする。

この構成によれば、回生制御と力行制御とを交互に行うため、力行制御時には回生制御によって発電した電力を使用することができ、バッテリ残量に関わらず力行制御を行うことができる。排気通路を流れるブローダウン流は、スカベンジング流に対して圧力が高く、タービンホイールを効率良く回転させることができ、回生制御に適している。一方、スカベンジング流は、ブローダウン流に対して圧力が低く、タービンホイールを効率良く回転させることができないため、電動機が力行を行い、ターボチャージャの回転をアシストすることによって、出力要求に対する応答性を高めることができる。

また、上記の発明において、前記回生制御及び前記力行制御は、クランク角に基づき、前記ブローダウン流及び前記スカベンジング流がそれぞれ排気通路に生じる期間に対応して切り換えられるとよい。

この構成によれば、クランク角に基づくことによって、ブローダウン流及びスカベンジング流に対応させて回生制御及び力行制御を切り換えることができる。

また、上記の発明において、前記排気通路に設けられたタービンハウジング（３１）と、前記タービンハウジングに受容され、前記駆動軸に結合されたタービンホイール（３５）と、前記タービンハウジングに設けられ、前記タービンホイールへの排気の流れを調整するタービン側可変ノズル機構（４０）とを有し、前記タービン側可変ノズル機構は、前記ブローダウン流が前記排気通路に生じる期間に、前記スカベンジング流が前記排気通路に生じる期間よりも流路を絞るとよい。

この構成によれば、電動機が回生制御を行うときに、タービン側可変ノズル機構がタービンホイールに供給される排気の流路を絞り、排気の流速を増加させることによって、排気エネルギーを効率よくタービンホイールの回転エネルギーに変換することができ、電動機による回生量が増加する。

また、上記の発明において、吸気通路に設けられたコンプレッサハウジング（３２）と、前記コンプレッサハウジングに受容され、前記駆動軸に結合されたコンプレッサホイール（３６）と、前記コンプレッサハウジングに設けられ、前記コンプレッサホイールからコンプレッサハウジングの出口に向う吸気の流れを調整するコンプレッサ側可変ノズル機構（５０）とを有し、前記コンプレッサ側可変ノズル機構は、前記スカベンジング流が前記排気通路に生じる期間に、前記ブローダウン流が前記排気通路に生じる期間よりも流路を絞るとよい。

この構成によれば、電動機が力行制御を行うときにコンプレッサ側可変ノズル機構がコンプレッサホイールからコンプレッサの出口に向う吸気の流路を絞り、吸気の流速を増加させることによって、コンプレッサが過給圧の上昇に寄与する効率を高めることができる。

また、本発明の他の側面は、駆動軸（３７）に電動機（２５）が連結されたターボチャージャ（１４）を備えた内燃機関（７０）であって、燃焼室から延び、上流側から順に排気を蓄える排気レシーバ（７２）、開閉弁（７３）、前記ターボチャージャのタービン（２２）を含む第１排気通路（１１Ａ）と、前記燃焼室から延び、前記第１排気通路における前記タービンの下流側部分に接続される第２排気通路（１１Ｂ）と、前記燃焼室と前記第１排気通路の間に設けられ、排気のブローダウン流に対応した期間に開く第１排気バルブ（７５Ａ）と、前記燃焼室と前記第２排気通路の間に設けられ、前記第１排気バルブよりも後であって、ピストンの上昇に伴う排気のスカベンジング流に対応した期間に開く第２排気バルブ（７５Ｂ）とを有し、前記開閉弁は、開閉を繰り返して間欠的に前記タービンに排気を供給し、前記ターボチャージャは、前記開閉弁の開期間に対応して前記電動機を回生制御すると共に、前記開閉弁の閉期間に対応して前記電動機を力行制御し、前記回生制御と前記力行制御とを交互に繰り返す制御モードを有することを特徴とする。

この構成によれば、回生制御と力行制御とを交互に行うため、力行制御時には回生制御によって発電した電力を使用することができ、バッテリ残量に関わらず力行制御を行うことができる。また、ブローダウン流を蓄積した排気レシーバから高温高圧の排気をタービンに間欠的に供給し、排気レシーバからタービンに排気が供給されるタイミングに応じて回生を行うようにしたため、回生を効率良く行うことができる。また、回生のタイミングは、開閉弁の開期間に対応して設定されるため、開閉弁の開閉タイミングを変更することによって、ブローダウン期間に関わらず、回生のタイミング及び期間の長さを任意に設定することができる。

以上の構成によれば、駆動軸に電動機が連結されたターボチャージャにおいて、バッテリ残量に関わらず、力行制御を可能にすることができる。

第１実施形態に係る内燃機関の構成を示す説明図 タービン側ノズル可変機構を示す概略図 コンプレッサ側ノズル可変機構を示す概略図 第１実施形態に係るターボチャージャのアシスト制御の手順を示すフロー図 第１実施形態に係る（Ａ）第１気筒及び排気通路の圧力を示すグラフ、（Ｂ）第１気筒及び吸気通路の圧力を示すグラフ 第２実施形態に係る内燃機関の構成を示す説明図 第２実施形態に係るターボチャージャのアシスト制御の手順を示すフロー図

以下、図面を参照して、本発明を自動車の内燃機関に適用した実施形態について詳細に説明する。以下の説明で用いる「上流」および「下流」の語は、内燃機関の吸気系及び排気系における一連のガスの流れ方向を基準とし、吸気系のエアインレットを最上流、排気系の排気出口を最下流として説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る内燃機関１は、４ストロークのＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition）エンジンである。図１に示すように、内燃機関１の機関本体２は、４つの気筒３を直列に有し、各気筒３にはピストン（不図示）が往復動可能に受容されている。各ピストンは、コンロッド（不図示）を介してクランク軸（不図示）に連結されている。

内燃機関１の一端側から各気筒３を順に、第１気筒３Ａ、第２気筒３Ｂ、第３気筒３Ｃ、第４気筒３Ｄとすると、第１気筒３Ａのピストンに対して、第２気筒３Ｂ及び第３気筒３Ｃのピストンは１８０°の位相差を有し、第４気筒３Ｄのピストンは０°の位相差を有する。各気筒３の燃焼順序は、第１、第３、第４、第２の順番であり、各燃焼は１８０°の位相差を有している。

各気筒３の上端部には、燃焼室（不図示）がそれぞれ形成されている。各燃焼室には、吸気ポート５及び排気ポート６が連通している。各吸気ポート５の他端は機関本体２の一側の側部に開口し、各排気ポート６の他端は機関本体２の他側の側部に開口している。機関本体２は、吸気ポート５を開閉する吸気バルブ（不図示）と、排気ポート６を開閉する排気バルブ（不図示）とを有している。

内燃機関１は、吸気通路１０（吸気系）及び排気通路１１（排気系）を有する。吸気通路１０は、上流側から順に、エアインレット（不図示）、エアフィルタ（不図示）、スロットルバルブ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５、インタークーラー１６、吸気マニホールド１７を直列に有している。吸気マニホールド１７は、上流端が集合管をなすと共に、下流端が４つ股に分岐して機関本体２の一側の側部に結合され、各吸気ポート５に連通している。排気通路１１は、上流側から順に、排気マニホールド２１、ターボチャージャ１４のタービン２２、触媒コンバータ２３、消音器（不図示）、排気出口（不図示）を有している。排気マニホールド２１は、下流端が集合管をなすと共に、上流端が４つ股に分岐して機関本体２の他側の側部に結合され、各排気ポート６に連通している。これにより、空気は、吸気通路１０のエアインレットから吸入され、吸気通路１０を通過して燃焼室に供給され、燃焼室で燃焼に使用された後、排気通路１１を通過して排気出口から外部に排出される。

ターボチャージャ１４は、タービン２２と、コンプレッサ１５と、電動機２５とを有する。タービン２２の外殻を構成する中空のタービンハウジング３１と、コンプレッサ１５の外殻を構成する中空のコンプレッサハウジング３２と、電動機２５の外殻を構成する電動機ハウジング３３とは、タービンハウジング３１及びコンプレッサハウジング３２の間に電動機ハウジング３３が配置され、互いに同軸となるように結合されている。

タービンハウジング３１は、その外周部に接線方向に向けて延びるタービン入口部３１Ａを有し、その中央部に軸線方向に向けて延びるタービン出口部３１Ｂを有する。タービン入口部３１Ａは排気マニホールド２１の下流側に接続され、タービン出口部３１Ｂは触媒コンバータ２３の上流側に接続されている。コンプレッサハウジング３２は、その中央部に軸線方向に向けて延びるコンプレッサ入口部３２Ａを有し、その外周部に接線方向に向けて延びるコンプレッサ出口部３２Ｂを有する。コンプレッサ入口部３２Ａはスロットルバルブ１３の下流側に接続され、コンプレッサ出口部３２Ｂはインタークーラー１６の上流側に接続されている。

タービンハウジング３１の内部にはタービンホイール３５（タービンインペラ）が回転可能に受容され、コンプレッサハウジング３２の内部にはコンプレッサホイール３６（コンプレッサインペラ）が回転可能に受容されている。タービンホイール３５とコンプレッサホイール３６とは同軸に配置され、電動機ハウジング３３を貫通して延びる駆動軸３７によって互いに連結されている。

図１及び図２に示すように、タービンハウジング３１には、タービン入口部３１Ａからタービンホイール３５への排気の流れを調整するタービン側可変ノズル機構４０が設けられている。タービン側可変ノズル機構４０は、複数のガイドベーン４１と、複数のガイドベーン４１に接続されたリンク４２と、リンク４２を駆動するアクチュエータ４３とを有する。

複数のガイドベーン４１は、タービンハウジング３１の内部において、タービンホイール３５を径方向から囲むように環状に配置されている。各ガイドベーン４１は、タービンホイール３５と平行な回転軸線を中心として回動可能にタービンハウジング３１に支持されている。各ガイドベーン４１は、周方向において等間隔に配置され、隣り合うガイドベーン４１との間に、タービンハウジング３１の中央側（タービンホイール３５側）を向くノズル４４を形成している。各ガイドベーン４１は、回転軸の径方向に向けて突出するアーム４５を有する。アーム４５の先端には、二股に分岐したフォーク部４５Ａが形成されている。

リンク４２は、リング状に形成され、タービンホイール３５と同軸に回転可能にタービンハウジング３１に支持されている。リンク４２は、回転軸と平行な方向に突出した複数の係止ピン４２Ａを有している。係止ピン４２Ａは、ガイドベーン４１の数に対応して形成され、周方向に等間隔に配置されている。各係止ピン４２Ａは、各ガイドベーン４１のアーム４５のフォーク部４５Ａを係止する。これにより、リンク４２が回転することによって、各アーム４５の角度が変化し、各ガイドベーン４１の角度が同時に変化する。リンク４２が一側に回転すると、全てのガイドベーン４１の延在方向が接線方向に近付いて隣り合うガイドベーン４１間に形成されるノズル４４の流路断面積が小さくなり（流路が絞られ）、リンク４２が他側に回転すると、全てのガイドベーン４１の延在方向が放射方向に近付いて隣り合うガイドベーン４１間に形成されるノズル４４の流路断面積が大きくなる（流路が開かれる）。

リンク４２の外周部には、径方向外方に突出するレバー４２Ｂが形成されており、レバー４２Ｂにはアクチュエータ４３の出力軸４３Ａが連結されている。アクチュエータ４３は、出力軸４３Ａが進退するものであり、例えば、ソレノイドやピエゾ素子から構成されている。アクチュエータ４３の出力軸４３Ａは、リンク４２の接線方向に延在し、進退することによってリンク４２を一側又は他側に回転させる。本実施形態では、タービン側可変ノズル機構４０は、アクチュエータ４３の駆動によって、ノズル４４の流路断面積が最も大きくなった開位置と、ノズル４４の流路断面積が最も小さくなった絞り位置との２つの位置を取り得る。

図１及び図３に示すように、コンプレッサハウジング３２には、コンプレッサホイール３６からコンプレッサ出口部３２Ｂへの吸気の流れを調整するコンプレッサ側可変ノズル機構５０が設けられている。コンプレッサ側可変ノズル機構５０は、タービン側可変ノズル機構４０と同様の構成を有し、先端部にフォーク部５５Ａが形成されたアーム５５を有するガイドベーン５１と、複数のフォーク部５５Ａを係止する複数の係止ピン５２Ａ及びレバー５２Ｂを有するリンク５２と、レバー５２Ｂに連結される出力軸５３Ａを有するアクチュエータ５３とを有する。隣り合うガイドベーン５１の間には、コンプレッサハウジング３２の径方向外側（コンプレッサホイール３６と相反する側）を向くノズル５４が形成される。コンプレッサ側可変ノズル機構５０のリンク５２が一側に回転すると、全てのガイドベーン５１の延在方向が接線方向に近付いて隣り合うガイドベーン５１間に形成されるノズル５４の流路断面積が小さくなり（流路が絞られ）、リンク５２が他側に回転すると、全てのガイドベーン５１の延在方向が放射方向に近付いて隣り合うガイドベーン４１間に形成されるノズル４４の流路断面積が大きくなる（流路が開かれる）。本実施形態では、コンプレッサ側可変ノズル機構５０は、アクチュエータ５３の駆動によって、ノズル５４の流路断面積が最も大きくなった開位置と、ノズル５４の流路断面積が最も小さくなった絞り位置との２つの位置を取り得る。

図１に示すように、駆動軸３７の電動機ハウジング３３内に位置する部分には、ロータ６０が結合されている。ロータ６０は、複数の永久磁石から形成され、駆動軸３７の周方向において磁極が交互に現れるように配置されている。電動機ハウジング３３の内面であって、ロータ６０の外面に対向する部分にはコイルであるステータ６１が設けられている。ステータ６１は、インバータ６３を介してバッテリ６４に接続されている。インバータ６３は、ＥＣＵ６５（電子制御ユニット）によって制御され、バッテリ６４からステータ６１、及びステータ６１からバッテリ６４への電流の流れの一方を許容すると共に、流れる電流を調整する。これにより、電動機２５は回生及び力行を切り換え可能なモータジェネレータとして機能する。すなわち、バッテリ６４からステータ６１に電流を流す力行制御によって、電動機２５に駆動軸３７を回転させる仕事をさせ、ターボチャージャ１４の回転をアシストすることができ、回生制御によって排気エネルギーによる駆動軸３７の回転に基づいて発電を行い、ステータ６１からバッテリ６４に電流を流し、バッテリ６４を充電することができる。

機関本体２には、クランク軸の回転位置を検出するクランク角センサ６７が設けられている。クランク角センサ６７は信号をＥＣＵ６５に出力し、ＥＣＵ６５はクランク角センサ６７からの信号に基づいてクランク角を算出する。

電動機２５、タービン側可変ノズル機構４０、及びコンプレッサ側可変ノズル機構５０は、ＥＣＵ６５によって、排気のブローダウン期間及びスカベンジング期間に対応して制御されている。ブローダウンとは、排気行程において、排気バルブが開いた直後に、気筒３内の比較的高い圧力によって、排気（既燃焼ガス）が排気通路１１に勢いよく噴き出す現象をいい、この排気の流れをブローダウン流という。排気バルブが、下死点に達する前に開く場合は、ピストンの下降中においてもブローダウンは生じる。ブローダウンは、低回転域ではクランク角で約４５°の期間継続する。スカベンジングとは、排気行程においてブローダウンが収束した後に続く行程であり、ピストンの上昇に伴って気筒３内の排気ガスが排気通路１１に押し出される行程をいい、この排気ガスの流れをスカベンジング流という。スカベンジングは、排気バルブが閉じられることによって終了する。スカベンジングは、クランク角で約１３５°の期間継続する。

本実施形態では、内燃機関１は４ストロークかつ４気筒であるため、各気筒３での燃焼（爆発）がクランク角で１８０°毎に生じ、７２０°（２回転）で４つの気筒３の全てが燃焼する１サイクルが完結する。４つの気筒３から生じるブローダウン流及びスカベンジング流は、共通の排気通路１１に流れるため、排気通路１１にはブローダウン流及びスカベンジング流の組が４回発生する。上述したように、ブローダウンはクランク角で約４５°の期間、スカベンジングはクランク角で約１３５°の期間であるため、任意の気筒３のスカベンジングが終了した直後に、他の気筒３のブローダウンが発生し、ブローダウン及びスカベンジングは交互に連続して発生することになる。

排気バルブの開閉タイミングはクランク角に対応して設定されるため、ブローダウン及びスカベンジングが発生する期間はクランク角で表すことができる。例えば、各ピストンの上死点である０°、１８０°、３６０°、５４０°において燃焼が生じる場合に、１５０°〜１９５°、３３０°〜３７５°、５１０°〜５５５°、及び６９０°〜７３５°（１５°）をブローダウン期間とし、１９５°〜３３０°、３７５°〜５１０°、５５５°〜６９０°、及び１５°（７３５°）〜１５０°をスカベンジング期間とすることができる。

ＥＣＵ６５は、電動機２５、タービン側可変ノズル機構４０、及びコンプレッサ側可変ノズル機構５０を制御してターボチャージャ１４の１つの制御モードであるアシスト制御を行う。アシスト制御は、例えば内燃機関１が低回転域にある場合に実行される。内燃機関１が低回転域にあるか否かは、ＥＣＵ６５がクランク角センサ６７からの信号に基づいてエンジン回転数を算出し、算出したエンジン回転数と所定の閾値とを比較することによって判定するとよい。

ＥＣＵ６５は、アシスト制御において、クランク角に基づいて、電動機２５の回生制御又は力行制御を行い、かつタービン側可変ノズル機構４０の開閉制御を行い、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０の開閉制御を行う。具体的には、ＥＣＵ６５は、クランク角に基づいてブローダウン期間又はスカベンジング期間を判定し、ブローダウン期間と判定したときには、電動機２５を回生制御し、かつタービン側可変ノズル機構４０を絞り制御し、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０を開制御する。一方、ＥＣＵ６５は、スカベンジング期間であると判定したときには、電動機２５を力行制御し、かつタービン側可変ノズル機構４０を開制御し、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０を絞り制御する。

ＥＣＵ６５によるアシスト制御をフロー図に表すと図４のようになる。図４に示すように、ＥＣＵ６５は、ステップＳ１においてクランク角に基づいてブローダウン期間であるか否かを判定し、判定がＹｅｓの場合には、続くステップＳ２〜Ｓ４において、タービン側可変ノズル機構４０を絞り制御し、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０を開制御し、かつ電動機２５を回生制御する。一方、ステップＳ１での判定がＮｏの場合、本実施形態のように４ストローク４気筒の内燃機関１の場合はスカベンジング期間であるため、続くステップＳ５〜Ｓ７において、タービン側可変ノズル機構４０を開制御し、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０を絞り制御し、かつ電動機２５を力行制御する。

ＥＣＵ６５によるアシスト制御の結果、図５に示すように、クランク軸が２回転する間に、電動機２５は回生制御及び力行制御を交互に４回繰り返す。また、タービン側可変ノズル機構４０及びコンプレッサ側可変ノズル機構５０は、クランク軸が２回転する間に、開閉を交互に４回繰り返す。

図５（Ａ）は、第１気筒の圧力及び排気通路（タービンの上流側部分）の圧力を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、第１気筒の圧力及び吸気通路（コンプレッサの下流側部分）の圧力を示すグラフである。図５（Ａ）及び（Ｂ）において、第１気筒の圧力と、排気通路の圧力及び吸気通路の圧力は縮尺が異なることに注意されたい。図５（Ａ）及び（Ｂ）では、気筒圧力として第１気筒３Ａの圧力のみを二点鎖線で例示している。第１気筒３Ａは、０°で燃焼が行われ、０°〜１８０°が膨張行程、１８０°〜３６０°が排気行程、３６０°〜５４０°が吸気行程、５４０°〜７２０°が圧縮行程である。燃焼タイミングは、第２気筒３Ｂが５４０°、第３気筒３Ｃが１８０°、第４気筒３Ｄが３６０°である。

図５（Ａ）に示す実線は、タービン側可変ノズル機構４０を常時全開にしたときの排気通路１１（タービンの上流側部分）の圧力であり、一点鎖線はブローダウン期間においてタービン側可変ノズル機構４０を絞り、スカベンジング期間においてタービン側可変ノズル機構４０を全開にしたときの排気通路１１の圧力である。排気通路１１の圧力（実線及び１点鎖線）は、１８０°付近のピークが第１気筒３Ａのブローダウン流に起因し、３６０°付近のピークが第３気筒３Ｃのブローダウン流に起因し、５４０°付近のピークが第４気筒３Ｄのブローダウン流に起因し、０°付近のピークが第２気筒３Ｂのブローダウン流に起因する。

排気通路１１の圧力は、ブローダウン期間において、タービン側可変ノズル機構４０を絞ることによって、更に上昇する。これにより、タービンホイール３５に吹き付けられる排気の流速が増大し、排気エネルギーがタービンホイール３５の回転エネルギーに変換される効率が向上する。

図５（Ｂ）に示す実線は、コンプレッサ側可変ノズル機構５０を常時全開にしたときの吸気通路１０（コンプレッサ１５の下流側部分）の圧力であり、一点鎖線はブローダウン期間においてコンプレッサ側可変ノズル機構５０を全開にし、スカベンジング期間においてコンプレッサ側可変ノズル機構５０を絞ったときの吸気通路１０の圧力である。吸気通路１０の圧力は、スカベンジング期間において、コンプレッサ側可変ノズル機構５０を絞ることによって、圧力が更に上昇する。これにより、コンプレッサ側可変ノズル機構５０を通過してコンプレッサ１５の下流側に供給される吸気の流速が増大し、コンプレッサホイール３６の回転エネルギーが過給圧の上昇に寄与する効率が向上する。

以上のように構成したターボチャージャ１４の作用及び効果を以下に説明する。本実施形態に係るターボチャージャ１４は、アシスト制御において、回生制御と力行制御を交互に行うため、力行制御時には回生制御によって発電した電力を使用することができる。そのため、バッテリ６４の残量に関わらず、力行制御を任意のタイミングで行うことができる。排気通路１１を流れるブローダウン流は、スカベンジング流に対して圧力が高く、タービンホイール３５を効率良く回転させることができるため、回生制御に適している。一方、スカベンジング流は、ブローダウン流に対して圧力が低く、タービンホイール３５を効率良く回転させることができないため、電動機２５が力行を行い、ターボチャージャ１４の回転をアシストすることによって、出力要求に対する応答性を高めることができる。

また、ターボチャージャ１４は、回生制御を行うときに、タービン側可変ノズル機構４０がタービンホイール３５に供給される排気の流路を絞り、排気の流速を増加させることによって、排気エネルギーをタービンホイール３５の回転エネルギーに効率良く変換することができ、電動機２５による回生量が増加する。アシスト制御が行われるときは、内燃機関１が低回転域等であり、排気流量が比較的小さいが、タービン側可変ノズル機構４０が流路を絞ることによって、少ない排気流量でもタービンホイール３５を効率良く回転させることができる。

また、ターボチャージャ１４は、力行制御を行うときに、コンプレッサ側可変ノズル機構５０がコンプレッサホイール３６からコンプレッサ出口部３２Ｂに向う吸気の流路を絞り、吸気の流速を増加させることによって、コンプレッサホイール３６の回転が過給圧の上昇に寄与する効率が向上する。アシスト制御が行われるときは、内燃機関１が低回転域等であり、排気流量が比較的小さく、駆動軸３７及びコンプレッサホイール３６の回転数が比較的低いが、上述したようにコンプレッサ側可変ノズル機構５０が流路を絞ることによって、コンプレッサホイール３６の回転が比較的低い場合にも過給圧を効率良く上昇させることができる。

本実施形態では、内燃機関１を、一般に一定の回転数で駆動されるＨＣＣＩエンジンとしたため、クランク角に基づいて制御がなされる電動機２５の回生及び力行の切り換えタイミング、タービン側可変ノズル機構４０及びコンプレッサ側可変ノズル機構５０の開閉タイミングを一定にすることができ、電動機２５、タービン側可変ノズル機構４０及びコンプレッサ側可変ノズル機構５０の駆動が安定する。

（第２実施形態）
次に、図６及び図７を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る内燃機関７０は、第１実施形態に係る内燃機関７０と比較して排気通路１１の構成が主に異なる。以下の第２実施形態に係る内燃機関７０の説明では、第１実施形態に係る内燃機関７０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、内燃機関７０の排気通路は、第１排気通路１１Ａ及び第２排気通路１１Ｂを有する。第１排気通路１１Ａは、各気筒３の燃焼室から延び、上流側から第１排気ポート６Ａ、第１排気マニホールド２１Ａ、排気レシーバ７２、開閉弁７３、タービン２２、触媒コンバータ２３、消音器、及び排気出口を有する。第２排気通路１１Ｂは、各気筒３の燃焼室から延び、上流側から第２排気ポート６Ｂ及び第２排気マニホールド２１Ｂを有し、下流端が第１排気通路１１Ａのタービン２２と触媒コンバータ２３との間の部分に連通している。

第１排気ポート６Ａ及び第２排気ポート６Ｂは、互いに独立した通路であり、各気筒３に少なくとも１つずつ形成されている。燃焼室と第１排気ポート６Ａとの間には第１排気バルブ７５Ａが設けられ、燃焼室と第２排気ポート６Ｂとの間には第２排気バルブ７５Ｂが設けられている。第１排気バルブ７５Ａ及び第２排気バルブ７５Ｂは、公知のポペット弁である。

第１排気マニホールド２１Ａは、上流側が第１排気ポート６Ａに対応して分岐し、機関本体の側部に結合されて、各第１排気ポート６Ａに連通する。各第１排気ポート６Ａを通過した排気は、第１排気マニホールド２１Ａにおいて集合され、下流側に流れる。同様に、第２排気マニホールド２１Ｂは、上流側が第２排気ポート６Ｂに対応して分岐し、機関本体の側部に結合されて、各第２排気ポート６Ｂに連通する。各第２排気ポート６Ｂを通過した排気は、第２排気マニホールド２１Ｂにおいて集合され、下流側に流れる。

第１排気マニホールド２１Ａの下流端は、排気レシーバ７２の入口に接続されている。排気レシーバ７２は、排気エネルギーを蓄える圧力容器であり、内燃機関７０の排気容量と略同一の内容積を有している。排気レシーバ７２の出口は、開閉弁７３を介してタービン２２のタービン２２入口部に接続されている。

第１排気通路１１Ａの第１排気マニホールド２１Ａと排気レシーバ７２の間の部分と、第２排気通路１１Ｂの第２排気マニホールド２１Ｂの下流側部分とは、バイパス通路７７によって接続されている。バイパス通路７７には、バイパス弁７８が設けられている。バイパス弁７８は、常閉型の電磁弁であり、ＥＣＵ６５によって開閉制御される。ＥＣＵ６５は、排気レシーバ７２に設けられた圧力センサ（不図示）から信号に基づき、排気レシーバ７２の圧力が所定値以上になった場合にバイパス弁７８を開く。これにより、第１排気マニホールド２１Ａから流れる排気は、排気レシーバ７２を迂回して第２排気通路１１Ｂに流れ、排気レシーバ７２の圧力上昇が抑制される。

第１排気バルブ７５Ａ及び第２排気バルブ７５Ｂは、公知の動弁機構（不図示）によって互いに独立したタイミングで開かれる。第１排気バルブ７５Ａは排気行程の開始から所定の期間開き、第２排気バルブ７５Ｂは第１排気バルブ７５Ａに遅れて排気行程の終了までの所定の期間開く。具体的には、第１排気バルブ７５Ａは、第２排気バルブ７５Ｂよりも先に開くことによってブローダウン流が第１排気ポート６Ａを流れるようにし、ブローダウン流の収束に対応して閉じるように設定される。一方、第２排気バルブ７５Ｂは、ブローダウン流が収束した後のピストンの上昇に伴うスカベンジング流が第２排気ポート６Ｂを流れるように、開閉タイミングが設定されている。換言すると、第１排気バルブ７５Ａ及び第２排気バルブ７５Ｂの開閉によって、ブローダウン流が第１排気ポート６Ａに流れ、スカベンジング流が第２排気ポート６Ｂに流れるようになっている。例えば、第１排気バルブ７５Ａは、排気行程の開始からクランク角において約４５°の期間、開状態を維持し、第２排気バルブ７５Ｂは、排気行程の開始からクランク角において約４５°が経過したときから約１３５°の期間、開状態を維持する。これにより、ブローダウン流による高温高圧の排気ガスが排気レシーバ７２に供給され、ブローダウン流に対して低温低圧となるスカベンジング流の排気ガスが排気レシーバ７２及びタービン２２を介さずに触媒コンバータ２３に流れるようになる。これにより、排気レシーバ７２には比較的高い排気エネルギーが蓄積されるようになる。

開閉弁７３は、ＥＣＵ６５によって制御された電磁弁であり、開閉を交互に繰り返し、排気レシーバ７２に蓄積された排気をタービン２２に間欠的に供給する。ＥＣＵ６５は、クランク角に応じて開閉弁７３の開閉制御を行う。開閉弁７３の開閉タイミングは、クランク軸が１回転する間に少なくとも開、閉を一度ずつ行うように設定されている。より好ましくは、開閉弁７３の開閉タイミングは、クランク軸が１／２回転する間に少なくとも開、閉を一度ずつ行うように設定されている。開閉弁７３の開期間と閉期間との比は、開期間が閉期間よりも短いことが好ましい。特に、開期間が、閉期間の１／３程度であることが好ましい。本実施形態では、開閉弁７３は、クランク角を基準として、開期間が約４５°であり、閉期間が１３５°であり、交互に連続して繰り返すように設定されている。

ＥＣＵ６５は、第１実施形態と同様にアシスト制御モードを有する。ＥＣＵ６５は、アシスト制御において、クランク角に基づいて、電動機２５の回生制御又は力行制御を行い、かつタービン側可変ノズル機構４０の開閉制御を行い、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０の開閉制御を行う。具体的には、ＥＣＵ６５は、クランク角に基づいて開閉弁７３の開期間又は閉期間を判定し、開期間と判定したときには、電動機２５を回生制御し、かつタービン側可変ノズル機構４０を絞り制御し、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０を開制御する。一方、ＥＣＵ６５は、開閉弁７３の閉期間であると判定したときには、電動機２５を力行制御し、かつタービン側可変ノズル機構４０を開制御し、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０を絞り制御する。

ＥＣＵ６５によるアシスト制御をフロー図に表すと図４のようになる。図７に示すように、ＥＣＵ６５は、ステップＳ１１においてクランク角に基づいて開閉弁７３の開期間であるか否かを判定し、判定がＹｅｓの場合には、続くステップＳ１２〜Ｓ１４において、タービン側可変ノズル機構４０を絞り制御し、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０を開制御し、かつ電動機２５を回生制御する。一方、ステップＳ１１での判定がＮｏの場合、すなわち開閉弁７３の閉期間である場合には、続くステップＳ１５〜Ｓ１７において、タービン側可変ノズル機構４０を開制御し、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０を絞り制御し、かつ電動機２５を力行制御する。

以上のように構成した内燃機関７０の作用及び効果を以下に説明する。第２実施形態に係るターボチャージャ１４は、第１実施形態と同様に、アシスト制御において、回生制御と力行制御を交互に行うため、力行制御時には回生制御によって発電した電力を使用することができる。そのため、バッテリ６４の残量に関わらず、力行制御を任意のタイミングで行うことができる。本実施形態では、高温高圧のエネルギーが高い排気のブローダウン流をスカベンジング流から分離して排気レシーバ７２に蓄積し、排気レシーバ７２からタービン２２に排気を間欠的に供給するようにしたため、排気がタービン２２に供給されるタイミングに合わせて回生を行うことで、回生を効率よく行うことができる。

また、ターボチャージャ１４は、第１実施形態と同様に、回生制御を行うときに、タービン側可変ノズル機構４０がタービンホイール３５に供給される排気の流路を絞り、排気の流速を増加させることによって、排気エネルギーをタービンホイール３５の回転エネルギーに効率良く変換することができ、電動機２５による回生量が増加する。また、ターボチャージャ１４は、力行制御を行うときに、コンプレッサ側可変ノズル機構５０がコンプレッサホイール３６からコンプレッサ出口部３２Ｂに向う吸気の流路を絞り、吸気の流速を増加させることによって、コンプレッサホイール３６の回転が過給圧の上昇に寄与する効率が向上する。

本実施形態では、開閉弁７３の開閉に合わせて、ターボチャージャ１４の回生及び力行を行うため、回生及び力行のタイミングがブローダウン期間及びスカベンジング期間に限定されない。すなわち、すなわち、開閉弁７３の開閉タイミングを変化させることによって、ターボチャージャ１４の回生及び力行の期間の比率を任意に変更することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、内燃機関１をＨＣＣＩエンジンとしたが、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の公知のエンジンとしてもよい。内燃機関１のストローク（サイクル）及び気筒数は任意に変更することができる。例えば内燃機関１を４ストローク３気筒とした場合には、ブローダウン及びスカベンジングのいずれも発生しない空白期間が生じるが、このような空白期間にはスカベンジング期間と同様に、電動機２５を力行制御し、かつタービン側可変ノズル機構４０を開制御し、かつコンプレッサ側可変ノズル機構５０を絞り制御するとよい。

上記実施形態では、内燃機関１の低回転域において、ターボチャージャ１４のアシスト制御を実行するようにしたが、他の実施形態では要求出力に対する過給圧の応答性を一層高めるため、排気流量が十分となる内燃機関１の高回転域においてもアシスト制御を行ってもよい。なお、内燃機関１の高回転域等において、アシスト制御を行わない場合には、排気エネルギーの余剰量に応じて、電動機２５の回生制御を継続することで、余剰な排気エネルギーを電気エネルギーとして回収することができ、内燃機関１の効率が向上する。

また、上記実施形態では、タービン側可変ノズル機構４０及びコンプレッサ側可変ノズル機構５０は、ノズル４４、５４を全開位置と最も絞った絞り位置との２つ位置の間で切り換えるようにしたが、タービン側可変ノズル機構４０及びコンプレッサ側可変ノズル機構５０は、ブローダウン期間において排気流量に応じてノズル４４、５４の絞り量を調整するようにしてもよい。例えば、タービン側可変ノズル機構４０及びコンプレッサ側可変ノズル機構５０は、ブローダウン期間において排気流量が大きいほど、ノズル４４、５４の絞り量を小さく（開度を大きくする）するとよい。

１…内燃機関、２…機関本体、３…気筒、１０…吸気通路、１１…排気通路、１４…ターボチャージャ、１５…コンプレッサ、２２…タービン、２５…電動機、３１…タービンハウジング、３２…コンプレッサハウジング、３３…電動機ハウジング、３５…タービンホイール、３６…コンプレッサホイール、３７…駆動軸、４０…タービン側可変ノズル機構、４１…ガイドベーン、４３…アクチュエータ、４４…ノズル、５０…コンプレッサ側可変ノズル機構、５１…ガイドベーン、５３…アクチュエータ、５４…ノズル、６０…ロータ、６１…ステータ、６３…インバータ、６４…バッテリ、６５…ＥＣＵ、６７…クランク角センサ

Claims (5)

1. 駆動軸に電動機が連結されたターボチャージャであって、
   排気バルブが開かれた直後の排気のブローダウン流が排気通路に生じる期間に対応して前記電動機を回生制御すると共に、前記ブローダウン流が発生した後のピストンの上昇に伴う排気のスカベンジング流が前記排気通路に生じる期間に対応して前記電動機を力行制御し、前記回生制御と前記力行制御とを交互に繰り返す制御モードを有することを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記回生制御及び前記力行制御は、クランク角に基づき、前記ブローダウン流及び前記スカベンジング流がそれぞれ前記排気通路に生じる期間に対応して切り換えられることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記排気通路に設けられたタービンハウジングと、
   前記タービンハウジングに受容され、前記駆動軸に結合されたタービンホイールと、
   前記タービンハウジングに設けられ、前記タービンホイールへの排気の流れを調整するタービン側可変ノズル機構とを有し、
   前記タービン側可変ノズル機構は、前記ブローダウン流が前記排気通路に生じる期間に、前記スカベンジング流が前記排気通路に生じる期間よりも流路を絞ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のターボチャージャ。
4. 吸気通路に設けられたコンプレッサハウジングと、
   前記コンプレッサハウジングに受容され、前記駆動軸に結合されたコンプレッサホイールと、
   前記コンプレッサハウジングに設けられ、前記コンプレッサホイールから前記コンプレッサハウジングの出口に向う吸気の流れを調整するコンプレッサ側可変ノズル機構とを有し、
   前記コンプレッサ側可変ノズル機構は、前記スカベンジング流が前記排気通路に生じる期間に、前記ブローダウン流が前記排気通路に生じる期間よりも流路を絞ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載のターボチャージャ。
5. 駆動軸に電動機が連結されたターボチャージャを備えた内燃機関であって、
   燃焼室から延び、上流側から順に排気を蓄える排気レシーバ、開閉弁、前記ターボチャージャのタービンを含む第１排気通路と、
   前記燃焼室から延び、前記第１排気通路における前記タービンの下流側部分に接続される第２排気通路と、
   前記燃焼室と前記第１排気通路の間に設けられ、排気のブローダウン流に対応した期間に開く第１排気バルブと、
   前記燃焼室と前記第２排気通路の間に設けられ、前記第１排気バルブよりも後であって、ピストンの上昇に伴う排気のスカベンジング流に対応した期間に開く第２排気バルブとを有し、
   前記開閉弁は、開閉を繰り返して間欠的に前記タービンに排気を供給し、
   前記ターボチャージャは、前記開閉弁の開期間に対応して前記電動機を回生制御すると共に、前記開閉弁の閉期間に対応して前記電動機を力行制御し、前記回生制御と前記力行制御とを交互に繰り返す制御モードを有することを特徴とする内燃機関。

Images